Wie funktioniert ein Kaltwassersatz? | Klimaworld
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Kaltwassersatz: Funktion & Besonderheiten

Kaltwassersätze spielen eine zentrale Rolle in der modernen Klimatisierung von gewerblichen und industriellen Umgebungen. Diese leistungsstarken Systeme, die darauf ausgelegt sind, große Mengen gekühltes Wasser zu liefern, sind unerlässlich für Prozesskühlungen, die in vielfältigen Bereichen von der Lebensmittelverarbeitung bis hin zur pharmazeutischen Produktion benötigt werden. Dieser Artikel stellt das Funktionsprinzip von Kaltwassersätzen vor und beleuchtet ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. 

> Was ist ein Kaltwassersatz? 
> Wie funktioniert ein Kaltwassersatz? 
> Was ist ein Tieftemperatur-Kaltwassersatz? 
> Was ist der große Vorteil eines Kaltwassersatzes? 
> Gibt es unterschiedliche Arten von Kaltwassersätzen?

Was ist ein Kaltwassersatz? 

Ein Kaltwassersatz, auch als Chiller Klimaanlage oder Kaltwasser Klimaanlage bezeichnet, ist eine Kälteanlage, die besonders häufig in der Industrie, aber auch für die Kühlung von Räumen und Hallen, eingesetzt werden. Tatsächlich sind derartige Systeme weiter verbreitet, als man zunächst vielleicht annehmen würde.  

Zu den typischen Umgebungen, in denen Kaltwassersätze zum Einsatz kommen, zählen unter anderem: 

  • Büros 
  • Einkaufszentren 
  • Flughäfen 
  • Kinos 
  • Krankenhäuser 
  • Rechenzentren 
  • Museen 
  • Messen 
  • Hotels 
  • Sport- und Freizeitstätten 
  • Wohngebäude 

Bei genauerer Betrachtung dieser Aufzählung wird deutlich, dass Kaltwasserklimaanlagen meist dort zum Einsatz kommen, wo eine große Kühlleistung in einem ebenso großen Gebiet nötig ist. Kaltwassersätze sind vornehmlich dort erste Wahl, wo es um eine effiziente Art der Prozesskühlung geht. Das heißt zwar nicht, dass ein Einsatz einer Privatumgebung völlig ausgeschlossen ist. Unterm Strich bleibt die Industrie aber das Anwendungsgebiet Nr. 1. 

Wie funktioniert ein Kaltwassersatz? 

Der klassische Chiller ähnelt in seiner Funktionsweise, wie erwähnt, einer Wärmepumpe oder einem Kühlschrank. Die Anlagen machen sich dabei zwei physikalische Grundgesetze zunutze: 

  1. Kommen zwei Stoffe mit unterschiedlicher Temperatur in Kontakt, gleichen sich diese Temperaturen an. Am Ende des Prozesses sind beide Stoffe gleich warm bzw. gleich kalt.
  2. Steigt der Druck eines beliebigen Gases, geht es auch mit dessen Temperatur nach oben. Dasselbe gilt in die andere Richtung. Sinkender Druck bedeutet auch eine sinkende Temperatur. 

Basierend auf diesen beiden einfachen Prinzipien arbeitet eine Kaltwasserklimaanlage und sorgt dabei für eine zuverlässige und umweltschonende Kühlung. 

Konkret laufen im Inneren einer Anlage folgende Prozesse ab: 

  • Das im Zuge der Kühlung erwärmte Kühlwasser muss wieder auf seine Ausgangstemperatur zurückgebracht werden. Zu diesem Zweck wird es zunächst aus dem Kühlwasserkreislauf ab- und in den Verdampfer geleitet, wo es die Kühlrippen umströmt. In diesen Rippen befindet sich das zu diesem Zeitpunkt noch flüssige Kühlmittel. 
  • Die Wärmeenergie aus dem erwärmten Kühlwasser geht auf die Kühlrippen und in weiterer Folge in das Kältemittel über. Dadurch ändert dieses Mittel seinen Aggregatzustand zu gasförmig.
  • Im nächsten Schritt wird der Kältemitteldampf vom Verdichter angesaugt – und verdichtet.
  • Der verdichtete Dampf strömt nun weiter in die Kühlrippen. Diese werden – abhängig vom konkreten Chiller-Modell – von kalter Luft oder ebenso kaltem Wasser durchströmt. 
  • Im Verflüssiger gibt der Kältemitteldampf anschließend die aufgenommene Wärme ab. Entweder an Wasser oder an Luft. Dadurch ändert sich der Aggregatzustand erneut, aus dem Dampf wird wieder eine Flüssigkeit. Es kommt zur Ableitung der abgegebenen Wärme. 
  • Das wieder flüssige Kältemittel gelangt zum Verdampfer, wo der eben beschriebene Kreislauf wieder von vorne beginnt. Damit das möglich ist, nimmt das Expansionsventil noch vor dem Verdampfer den Druck aus dem Kältemittel. 

Heizen mit dem Kaltwassersatz: Ist das möglich? 

Was beim Klang des Namens als unmöglich erscheint – „Kaltwassersatz“ klingt einfach alles andere als warm – ist in der Praxis tatsächlich machbar. Besonders dann, wenn man über ein vergleichsweise modernes Gerät verfügt. Die bieten nämlich die Möglichkeit, den Prozess ganz einfach umzudrehen und den Kaltwassersatz als Wärmepumpe zu verwenden, mit der sich ohne Probleme heizen lässt. 

Was ist ein Tieftemperatur-Kaltwassersatz? 

Kaltwasserklimaanlagen arbeiten üblicherweise am besten in einem Bereich zwischen -15 und +25 °C. Unter diesen Voraussetzungen liefern die Chiller ihre ideale Leistung. Allerdings existiert abseits der klassischen Geräte noch eine weitere Sparte von sogenannten „Tieftemperatur-Kaltwassersätzen“. 

Wie der Name schon sagt, arbeiten diese mit Extremwerten von bis zu -45 °C. Um diese zu erreichen, braucht es ein spezielles Kältemittel. Meist kommt in so einem Fall das Kältemittel R449 zum Einsatz. Aber in welchen Bereichen benötigt man eigentlich derart niedrige Temperaturen?  Meist hat man es in diesem Zusammenhang mit mehr oder weniger aufwendigen Prüf- und Testverfahren zu tun. Zum Beispiel in der Automobil-, in der Chemie- und in der Pharmaindustrie. Auch das Kühlen von Impfstoffen ist ein typischer Anwendungsfall. Tieftemperatur-Kaltwassersätze findet man außerdem in großen Lebensmittellagern, wo sie für die nötige Tiefkühlung sorgen. 

Was ist der große Vorteil eines Kaltwassersatzes? 

Im Vergleich zu klassischen Klimaanlagen haben Kaltwassersätze einen besonders großen Vorteil: Sie arbeiten deutlich umweltschonender. Und zwar deshalb, weil eine viel geringere Menge an Kältemittel zum Einsatz kommt. Durch die anstehende und schrittweise Verschärfung der F-Gase-Verordnung in den kommenden Jahren wird die Nachfrage nach Kaltwasserklimaanlagen weiter steigen. Setzen Hersteller für den Betrieb auf ein umweltfreundliches Kältemittel, fällt die Nachhaltigkeitsbilanz der Chiller nochmals deutlich besser aus. 

Gibt es unterschiedliche Arten von Kaltwassersätzen? 

Ja, es gibt verschiedene Arten von Kaltwassersätzen. Das wichtigste Merkmal ist dabei die Kühlungsvariante: Grundsätzlich wird unterschieden zwischen luftgekühlten und wassergekühlten Chillern. Die Funktionsweise ist in beiden Fällen die gleiche, Differenzen gibt es lediglich beim eingesetzten Kühlmedium.  

Die beiden Varianten im Überblick: 

Luftgekühlter Kaltwassersatz 

Diese Spielart des Kaltwassersatzes nutzt Umgebungsluft für die Abkühlung des Kältemitteldampfes. Derartige Geräte sind nicht für den Einsatz in Innenbereichen ausgelegt, da sie für ein einwandfreies Funktionieren dauerhaft Zugriff auf große Mengen kühler Außenluft haben müssen. 

Ein weiterer Vorteil: Da sich Kältemittel – anders als bei klassischen Klimaanlagen – nicht innerhalb eines Kreislaufs bewegt, sondern nur in der eigentlichen Kühlkomponente zu finden ist, braucht es auch nur sehr wenig davon. Die für den Betrieb notwendigen Sicherheitsanforderungen werden dadurch gesenkt, von den geringeren Belastung für die Umwelt ganz zu schweigen. 

Angesichts dieser praktischen Vorteile überrascht es nicht, dass luftgekühlte Kaltwassersatzanlagen zu den beliebtesten Modellen zählen. Ihre typischen Eigenschaften im Überblick: 

  • Niedriger Kühlmittelverbrauch 
  • Auch zu Heizzwecken einsetzbar 
  • Optionale Freikühlfunktion 
  • Rasche Montage 
  • Installation im Freien (= kein Platzverbrauch im Innenbereich) 
  • Ideal sowohl für kleine als auch für große Anwendungen – und alles dazwischen 

Freie Kühlung: Eine gute Alternative 

Manche luftgekühlte Kaltwassersätze wissen mit einer sogenannten Freikühlfunktion zu überzeugen. Die überschüssige Wärme wird dabei direkt an die Außenluft abgegeben. Dadurch muss das Kältemittel keinen Kreislauf durchlaufen, was wiederum den weiter oben beschriebenen Einsatz eines Verdichters und eines Verflüssigers obsolet macht. Unterm Strich benötigen luftgekühlte Geräte somit deutlich weniger Energie. Die Stromkosten gehen nach unten, die CO2-Emissionen bewegen sich in einem sehr überschaubaren Rahmen. Allerdings ist die direkte Abgabe der Wärme an die Umgebung nur dort bzw. dann umsetzen, wo niedrige Außentemperaturen vorherrschen – zum Beispiel im Winter. 

Wassergekühlter Kaltwassersatz 

Überall dort, wo bereits ein Kühlwasseranschluss existiert, ist die wassergekühlte Ausführung der Kaltwasserklimaanlage die bessere Option. Grundsätzlich kann dafür sowohl auf das Grundwasser zurückgegriffen werden als auch auf eine technische Anlage (Rückkühler). Typisch für diese Variante ist die Abführung der Abwärme über einen Kaltwasserkreislauf oder einen Rückkühler. Tatsächlich lässt sich die gewonnene Abwärme für die Heizungsunterstützung nutzen, weshalb wassergekühlte Modelle perfekt für Anwendungen mit Wärmerückgewinnung geeignet sind.  

Die typischen Eigenschaften im Überblick: 

  • Installation in Innenräumen (= keine Abhängigkeit von Außenbedingungen) 
  • Beeindruckende Energieeffizienz 
  • Kühlung oder gleichzeitiges Kühlen/Heizen möglich 
  • Ideal für große und mittelgroße Anwendungen 

Auf der Minus-Seite muss man anmerken, dass die Geräte einen teilweise höheren Installationsaufwand haben und für ein reibungsloses Funktionieren mehr Bauteile nötig sind als bei einem luftgekühlten Modell. 

Kaltwassersatz: Fazit 

Verglichen mit klassischen Klimaanlagen haben Kaltwassersätze große Vorteile. Der geringe Bedarf an Kühlmittel ist dabei wohl der wichtigste Punkt. Durch diesen stark beschränkten Einsatz sind die Anlagen deutlich umweltfreundlicher bzw. geht nicht eine so große Gefahr von etwaigen Lecks aus. Dazu kommt, dass die EU durch die Verschärfung der F-Gase-Regelung den Einsatz von klimaschädlichen Kühlmitteln – der im klassischen Klimaanlagenbereich auch heute noch weit verbreitet ist – schrittweise drosseln und irgendwann komplett unterbinden möchte.  

Vor diesem Hintergrund wird die Beliebtheit von Kaltwasserklimaanlagen in den nächsten Jahren nochmals einen deutlichen Boost erfahren. Kaltwassersätze kommen heute hauptsächlich im industriellen Bereich zum Einsatz und dabei vornehmlich dort, wo es um die Kühlung von großen Arealen geht. Eine weit verbreitete Art der Innenraumkühlung, die im Bewusstsein vieler Menschen allerdings gar nicht vorkommt. 

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